JPS58168236A - プラズマ反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔本発明の分野〕 不発明は、ガス放電中で励起されたガス粒子によって基
板を食刻したシ又は基板に付着層を形成し友シする、プ
ラズマ反応装置及びその使用方法に関するものである。

このような反応装置は、反応チェンバ中で互いに平行且
つ上下に配置された２つの平板状電極を含む。その上部
電極には、高周波ＡＣ電圧を印加し、下部電極には、基
板を載せる。この下部電極には、中央開口を設けである
。

この中央開口を通して、反応性ガスを電極間の空間領域
に導いたり、そこから除去したシする。

〔先行技術〕

この種のプラズマ反応装置は、例えば、ＤＥ−Ｏ８２７
０２１６５及び米国特許第３７５７・７３３号に示され
ている。そこに示されたプラズマ反応装置は、層形成の
ために用いられているが、プロセス・パラメータを選択
するなら１．それらは、また、プラズマ食刻にも使用で
きる。例えば、米国特許第５７５７７３５号に示された
公知のプラズマ反応装置では、反応チェンバ内に例えば
円形のような２つの平板電極が設けられている。この２
つの平板電極は、互いに平行且つ上下に配置される。反
応領域には、少なくとも１つのガス入口と真空ポンプに
接続されにガス出口がある。上部電極は、高周波ＡＣ電
圧に接続される。被処理基板、即ち、食刻式れたり被覆
され交りする基板が、下部電極に設けられる。下部電極
の中央には、開口が設けられている。この開口を通して
、処理に必要なガスが、電極間の空間領域に供給された
り、そこから除去される。“・この配置によって、次の
ことが保証される。即ち、食刻又は被覆の間に、電極間
の空間領域の縁から下部電極の開口まで、又はその逆に
、連続的に流れるガスが基板の上を横切って通ることで
ある。このようなプラズマ反応装置は、下部電極に設け
られた基板を窒化シリコンのような物質の層で被覆する
のに用いることができる。また、その装置は、後の処理
に応じて、耐食刻マスクを用いてその基板を選択的に食
刻したり、又は基板表面全体を食刻したりもできる。

これらの操作中に、グロニ放電が電極間に発生され、次
のような２つの効果を生じる。即ち、一方では、電極間
の電界によって大きな運動エネルギーを得たガス粒子が
、基板に衝撃を与えることであり、他方では、ガスの原
子又は分子が、グロー放電中でイオン化され、又は少な
くとも化学的に励起されることである。どの物質が食刻
されるか又はどの物質が被覆に用いられるかによって、
使用慶スは（：選択される。プラズマ食刻のときには、
ガス粒子をイオン化した食刻活性種（ｅｔｃｈａｃｔｉ
ｖｅ　　５ｐｅｃｉｅｓ）の化学反応によって、食刻さ
れるべき物質の化学的及び物理的な除去が起ζす、また
、悪くすると、先に除去された物質の再付着が起こる。

被覆のときには、反応チェンバへ供給された反応性ガス
が化学的に反応する。電極間の空間領域におけるグロー
放電は、この反応を起こしたり、又は促進したりす゛る
。被覆のときの基板の衝撃によって、次のような効果が
生じる。

即ち、一方では、化学反応により形成され次生成物がよ
り早く基板に付着することであり、しかしながら他方で
は、先に基板に付着した物質の除去が起重ることである
。基板を食刻する速度、又は基板に物質を付着する速度
は、前記の物理的効果と化学的効果との相互の効果に依
存する。

Ａ、Ｒ，Ｒｅｉｎｂｅｒｇは、Ｔｈｅ　　ｊｏｕｒｎａ
ｌ　　Ａｎｎ。

Ｒｅｖ、　　Ｍａｔｅｒ、　　Ｓｅｔ、、　　１９７９
、ヱ、９．３４１〜、”　　Ｐｌａｓｍａ　　ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ　　ｏｆｉｎｏｒｇａｎｉｃ　　ｔｈｉｎ
　　ｆｉ１ｍｇ″において、層のプラス１付着について
述べている。また、彼は、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｔｃ
ａｌ　　５ｏｃｉｅｔ＋ｙ　　ＳｐｒｉｎｇＭｅｅ　　
ｔ　ｉｎｇ　１　　Ｍａｙ　　　１　９　７　６　、　
　Ｖｏｌ、７６　　二　１　、Ａｂａｔｒａｃｔ　　Ａ
５ｎの”　Ｐｌａｓｍａ　　ｅｔｃｈｉｎｇ戸 ｉｎ　　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　ｍｏｎｕｆａ
ｃｔｕｒｅａ　　ｒｅｖｉｅｗ”において、プラズマ食
刻の研究を述べている。

プラズマ食刻及びプラズマ付着は、湿性化学プロセスに
比べて、処理基板の汚染が無視できるプロセスである。

最近、このようなプロセスを非常に制御長〈実施できる
ようになったので、非常に小さな許容誤差で、良く制御
された結果を得ることができる。このように、プラズマ
食刻に工って、個々の基板及びブラズフ反応装置の下部
電極に設けて同時に処理する全ての基板にわたって、約
±４％の許容誤差で、食刻の一様な深嘔を達成すること
ができる。このことは、プラズマ付着についても言える
。即ち、下部電極の全領域にわたって、一様な厚さでし
かも約±５係の許容誤差で、層をプラズマ付着すること
ができる。プラズマ付着の他の利点は、付着層の例えば
、回折指数及び食刻速度のような特性が通常の方法によ
り形成された層と変わらないことである。製造における
使用に深刻な影響を及はす、プラズマ・プロセスの欠点
は、前記のような許容誤差を維持しなければならないな
ら、基板を食刻したり又は基板に層を成長したりする速
度が遅くなることである。　−〔本謬明の概要〕 本発明の目的は、食刻及び付着の一様性や付着層の良い
特性を変えることなく、先行技術の装置及び方法により
可能な速度よりももつと速い速度で、物質を食刻したり
又は付着しタシできるプラズマ反応装置及びその使用方
法を提供することである。

物質をプラズマで付着するときＶＣは、付着速度を最終
的に決定することになる２つの効果が、同時に生じる。

即ち、一方は、反応性ガスから形成された物質が、基板
に付着されることでおる。他方は、基板に衝突する粒子
の運動、ｌｃ＃ルギーによって、物質が除去されること
である。

プロセス・パラメータを変えることに工υ付着速度を上
げ得ることは、先行技術のプロセスにやいて公知となっ
ていることであるが、しかし、これは、次の欠点を伴な
う。即ち、付着層の物理・化学的特性並びに付着の異質
性における急激な変化を我慢しなければならないという
ことである。

本発明によるプラズマ反応装置を用いると、驚くことに
、プロセス・パラメータを変えないで、不発明によらな
い反応装置よりも速い速度で、層を付着形成することが
できる。プロセス・パラメータを変えないので、付着層
の例えば回折指数及び／食刻速度のような特性は、通常
のプラズマ反応装置で付着した層のものと、同じである
。この工うな効果が観測されるのは、次ふん、上部電極
のうちの電極物質か存在していない領域の外側におの領
域の下における弱くなった電界によって、基板に衝突す
る粒子が物質を除去することは、弱められるので、基板
表面における反応速度は、上がることになる。こうして
、公知のプラズマ反応装置の付着速度を越える付着速度
を達成できる。

プラズマ反応装置における付着は、基板に限定されるも
のではなく、下部電極全体にわたって行なわれるもので
ある。もし上部電極のうちの電極物質が存在していない
領域を、下部電極の基板に適合するように、形状を定め
て設けると、基板においてのみ、付着速度が上がる。こ
れは、次のような利点を伴なう、即ち、平ら型の反応装
置では、下部電極を食刻できれいにしなければならなく
なるまでに大変長い時間、付着に使用することができる
ことである。

通常のプラズマ反応装装置を用いたプラズマ食刻では、
電極間の空間領域全体に、食刻活性種が形成される。こ
の結果、食刻活性種の多く社、それらの食刻効果を発揮
できるようになるまえに、ガスの流れによって運び去ら
れてし賛う。先に述べたように、本発明によるプラズマ
反応装置では、特別設計の上部電極によって、電極間の
空間領域における電界が部分的に乱れる。この結果、反
応活性種が、電界の乱れた領域に好ましく形成される。

もし、電界が乱される領域に、基板を適切に位置合せす
るなら、基板をよシ高濃度の食刻活性種に当てることに
なり、従って、基板を公知のプラズマ反応装置における
食刻速度よりも速い速度で食刻することができる。

本発明によるプラズマ反応装置では、上部電極のうち、
下部電極上の基板によって定まる位置及び形状の領域に
は、電極物質が存在しない。示されたように、電極間の
空間領域におけるガスの流れが、上部電極の設計に影響
されないようにするために、上記の領域においては、電
極物質の代わりに誘電物質が設けられる。上部電極は、
基板か配置されている下部電極の少なくとも一部分を覆
う。驚くべきことに、このように設計されたプラズマ反
応装置を、その他の点では公知のプロセス及び構成と同
じ条件で用いたときには、基板についての食刻及び被覆
の両方の速度が増加することが発見された。例えば、も
し上部電極に円形の開孔が設けられるなら、他の領域に
比べて真下の基板領域では、約５０チを越える窒化シリ
コンの成長がある。この基板領域は、開孔の下部電極に
おける投影部分と同心の円形になっているばかりでなく
、電極間隔が約２．５　ｃｍのときには、その半径は、
上部電極の開孔の２倍の大きさである。このように設計
されたプラズマ反応装置を窒化シリコンの食刻に用いた
ときには、円形の領域はかりでなく、開孔の場所からガ
スが流れる方向に伸びるすい星の尾部のような漸減的ゾ
ーンにおいても、食刻が促進することが発見された。も
し、プラズマ反応装置を被覆に用しるなら、上部電極は
、次のように設計するのが好ましい。即ち、大体円形の
各基板の上に、１つの円形開孔が存在し、この開孔の中
心が、各基板の中心とまさに一致しておシ、この開孔の
直径が、基板の直径の半分に過ぎないように設計するこ
とである。物質が、基板表面ばかりでなく、下部電極に
おける基板間の領域にも付着するときには、上部電極に
ついての上記のような設計は、利点がある。なぜなら、
そのように設計すると付着速度が増加する領域は、大体
基板表面であり、一方、物質の付着を望まない領域では
、基板の領域における付着速度よりもずっと遅い速度で
付着が進むからである。食刻のときには、条件は異なる
。なぜなら、基板表面のみ食刻され、基板間の領域は、
食刻されないからである。″それ故に、食刻に用いるプ
ラズマ反応装置についてに、食刻される基板の全表面に
おける食刻速度が増加するように、上部電極における電
極物質の存在しない領域が位置付けられ且つ形付けられ
ている限りは、上部電極の設計が臨界的になることはな
い。まず、驚くべきことに、先に指摘したように、上部
電極における例えば円形の開孔は、物質を付着するか又
は食刻するかに依存して、下部電極の異なるブイズ及び
形状の領域に影響を及ぼす。付着のときは、その領域は
、また円形であるし、一方、食刻のときは、それは、す
い星の尾部のような漸減的なものである。この相異は、
明らかに、次の事実による。即ち、付着のときには、ま
さに被覆表面における成長過程及びその工うな表面反応
が、上部電極における開孔全通して影響を受ける。一方
、食刻のときには、食刻活性種の濃度が電極間の空間領
域で影響を受け、従ってガス相の反応が影響を受ける。

これらの食刻活性種がガスの流れによって影響を受ける
ときには、食刻活性種の濃度が増加する領域は、開孔の
下及び開孔の直ぐ近くの下の空間領域ばかりでなく、ガ
スが流れる方向に延長し几空間領域である。

〔本発明の実施例〕

第１Ａ図及び第１Ｂ図は、層を食刻し几り層を付着する
のに適した例を示している。プラズマ反応装置には、２
つの円形電極１及び２が設けられている。本発明による
プラズマ反応装置の全ての例に対して、この円形電極が
使用されるが、電極の形状は任意である。電極物質及び
誘電性物質から成る電極２の領域が、基板５を配置する
下部電極１の全領域並びにできれば開口５を覆うことが
重要である。これは、ガスが最適に基板３を横切って流
れるようにするのに必要である。上部電極２は、高周波
ＡＣ電圧に接続される。円形の半導体ウェハのような基
板５を、下部電極１の上に配置する。電極物質７におけ
る基板６の上に対応する部分には、次のような開孔が設
けられている。

即ち、その開孔と基板とは、中心が一致して形状が類似
しているが、開孔の半径は、基板の半径の半分よりも小
さい。この開孔には、石英が設けられる。電極１の中心
には、開口５が設けられている。開口５を通して、ガス
６を電極間の空間領域に供給したり、そこから除去し次
すする。第１Ａ図の電極構成を、図示しなかった次のよ
うな反応チェンバ中で実施する。即ち、このチェンバに
は、少なくとも１つのガス供給手段と、真空ポンプに接
続され几排気手段とが設けられている。開孔の大きさが
基板の太きさよりも小さくな、る率は、電極の間隔及び
以下に説明する反応基準に依存しており、テストによっ
て決定されるべきである。上記の理由より、プラズマ反
応装置を物質の付着に用いるなら、開孔対基板のサイズ
比、開孔及び基板の形状的類似性並びに基板に対する開
孔の位置が、臨界的になるだけである。ブラダ１反応装
置を食刻に用いるなら　基板全体を下部電極の次のよう
な領域内に配置しなければならない。即ち、。

上部電極の開孔が食刻速度を増大させるところである。

即ち、プラズマ反応装置を食刻に用いるなら、開孔は基
板以上の大きさであっても良いし、開孔と基板とは必ず
しも形状が類似している必要はなく、開孔と基板との中
心は、互いに上下で厳密に一致している必要はない。

第２Ａ図及び第２Ｂ図は、本発明の他の実施例における
電極構成を示す断面図及び平面図である０２つの円形の
電極１及び２を配置しているＯ下部電極１は、第１Ａ図
め下部電極１と同じである。

上部電極２は、ＩＪ　ｙグミ極７から成る。リング電極
の外径は、下部電極１の外径と同じであるのか好ましい
。リンダ電極７は、例えば石英のような誘電性物質の円
盤体４を囲んでいる。円盤体４の上面、即ち電極間の空
間領域に面していない表面には、第２Ｂ図に示されてい
るような十字形状の導電体９が設けられている。導電体
９は、電源とリング電極７とを電気的に相互接続する働
きを有している。もしプラズマがリング電極７と下部電
極１との間でのみ形成され、導電体９と下部電極１との
間では形成されないなら、第２Ａ図には示されていない
がリンク電極７から絶縁されたメタル・シールド（ｍｅ
ｔａｌ　　５ｈｉｅｌｄ　）が、円盤体４め底面、即ち
電極間の空間領域に面した表面に提供されるという利点
がある。上記の説明から、第２Ａ図及び第２Ｂ図に示さ
れた例は、もっばらプラズマ食刻に対して都合の良いも
のである。全表面の食刻速度が促進されるように基板３
を設けなければならない、下部電極１における領域は、
リング電極７によって、定まる。リング電極７の外周と
内周との差は、電極の□間隔及び食刻条件によシ決まる
。第２Ａ図及び第２Ｂ図の例では、ガスは、一方向のみ
、即ち電極間の空間領域の外側から下部電極１の中央の
開口５へと流れる。

第３Ａ図及び第３Ｂ図は、不発明の第３の実施例におけ
る電極構成を示す、断面図及び平面図である。２つの円
形の電極が、互いに平行に向い合って配置される。下部
電極１は、第１Ａ図及び第２Ａ図のものと同じである。

上部電極２は、電極物質の円盤体７から成り、石英リン
グ４によって囲まれている。石英リング４は、高周波Ａ
Ｃ電圧に接続されるが、その外周は、下部電極１の外周
とほぼ同じである。先に説明し次理由から、第６Ａ図及
び第３Ｂ図の例は、層を成長するよりも層を食刻するの
に適している。基板の食刻速度が増大する、下部電極１
における領域は、石英リング４に対応するところである
。この部分の内側縁部は、下部電極１における円盤体７
の投影部分と重複する。重複部分の面積は、電極の間隔
及び食刻条件に依存する。第５Ａ図及び第３Ｂ図の例で
は、ガスは、開口５を通りズ電極間の空間領域へ流れる
。

不発明による反応装置を用いて行なう食刻及び付着のプ
ロセスは、公知の反応装置と同じ条件の下で、実施され
る。従って、本発明による反応装置で基板を食刻すると
きの食刻速度は、使用混合ガスの組成、ガス流量、ガス
圧、電力、基板の温度、並びに食刻過程に関与するガス
粒子の基板表面における運動、即ち、拡散、吸着及び脱
着のような現象によって決まる。食刻について述べたの
と同じパラメータが、また公知のプラズマ反応装置で層
を成長するときの成長速度にも、重大な影響をおよぼす
。しかしながら、不発明による反応装置を用いるときに
は、重大な付加的パラメータは、プラズマ反応装置にお
ける上部電極の特別な設計と、下部電極における基板の
位置とである。

基板のこの位置は、上部電極の特別な設計に適合するよ
うに決められる。不発明に１よるプラズマ反応装置で食
刻又は付着のプロゼスを行なうときには、どのような上
部電極に設計するかによって、例えば、第１Ａ図から第
５Ｂ図までに示した実施例に応じて、食刻又は成長の速
度が確実に促進される、下部電極の領域内に、全ての基
板をそれらの全表面までもが入るように配置する必要が
ある。

本発明によるプラズマ反応装置は、一般に、プラス１食
刻及びプラズマ付着の全てのプロセスに適している。特
に、窒化シリコン、二酸化シリコン及びポリシリコンの
付着及び食刻に用いると、優れ几効来が得られる。

不発明によるプラズマ反応装置を用いる、基板の食刻及
び基板上の成長について、各々１つの例を掲げて、以下
詳細に述べることにする。

例　Ｉ 化学気相付着によりシリコンＩウェハに形成した窒化シ
リコン層を、ＣＦ、及び０２から形成したプラズマ中で
食刻することを述べる。用いたプラズマ反応装置には、
第１Ａ図及び第１Ｂ図に概略的に示し友のと類似する設
計の上部電極が設けられている。電極間隔は、５．２ｍ
であり几。基板の全体ではないが一部分が、上部電極の
開孔の下に位置するように、基板を設けた。基板の直径
は、開孔の直径の約２倍である。幾つかの基板は、上部
電極の開孔によっては影響されないような下部電極の領
域に設けた。即ち、それらを、開孔の真下やすい星の尾
部のような領域には、配置しなかった。テスト・パラメ
ータは、以下のとおりである。即ち、 ＣＦ４流量　　　　　　　　　　４８（１ｍｔ／分　士
、）０２流量　　　　　　　　　５３ｍｔ１分　士）ガ
ス圧　　　　　　　　　　３．３５ｍｂａｙ電　力　　
　　　　　　　　　　３００ワット基板温度　　　　　
　　　２００℃ 時　間（各々）　　　　　　９０秒 ＋９通常の条件下 上部電極の開孔の下に配置した基板については、食刻速
度は、０．５９ｎｍ／秒であった。一方、そのような開
孔の影響を受けなかった基板については、食刻速度は、
０．２１ｎｍ／秒であつ友。従り１１１１１ て、開孔の下の基板の食刻速度は、開孔の下に配置しな
かった基板の食刻速度に比べて２．８１倍も大きくなっ
ている。開孔の下の基板の食刻均一性は、基板表面全体
で、±３チであった。

例　■ 次の例は、シリコン基板に窒化シリコン層を成長するも
のである。用いたプラズマ反応装置には、第１Ａ図及び
第１Ｂ図に概略的に示し友ような設計の上部電極が設け
られている。ＳｉＨ４、ＮＨ３及びＡｒを含む雰囲気中
で、プラズマを発生した。

幾つかの基板を、上部電極の開孔の真下に配置し友。開
孔の直径は、基板の直径の大体半分であった。幾つかの
基板は、次のように下部電極に配置され几。即ち、それ
ら基板の全表面が、開孔の真下で基板ブイズを有する下
部電極における領域の外に、位置するようにである。電
極間隔は２．５４ｍであつ几。窒化シリコンの付着は、
以下のバラ、′メータを用いて行なわれた。即ち、 “１　） ＳｉＨ４流量（１（１１１％ＳｉＨ４）　　　　３６ｍ
１／’！；＋　　＋）ＮＨ３流量　什）　　　　　　　
　　　ｓｂｎｍｔ１５＋　十）Ａｒ　　流量　　　　　
　　　　　　　　５７ｎｍｌ／％　＋）ガス圧　　　　
　　　　　　　　　１，１ｍｂａｒ基板温度　　　　　
　　　　　　２００℃電　−力　　　　　　　　　　　
　　　　　　２００ワット付着時間　　　　　　　　　
　　１０分十）通常の条件下 ＋−１−）　Ｉ　ｎ％（体積）のＮＨ３を有するＡ　ｒ
　−Ｎ　Ｈ３混合ガス 開孔の下に配置し次基板については、付着速度は、０．
１４ｎｍ／秒であった。開孔の下に配置しなかった基板
については、付着速度は、０．１２ｎｍ／秒であった。

従って、開孔の下の付着速度は、開孔の影響を受けない
領域の付着速度よシも、１．。

１７倍大きくなっている。驚くことに、成長速度が異な
るにもかかわらず成長した全ての層は、回折指数（１，
８８）及び食刻速度が同じであった。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図、第２Ａ図、第２Ｂ図、第３Ａ図及
び第３Ｂ図は、本発明によるプラズマ反応装置における
電極空間領域の６つの例を各々示す断面図及び平面図で
ある。 出願人　　インターナショナル・ビジ木ス・マシーｌズ
・コづｆレーション代理人　弁理士　　岡　　　１）　
　次　　　生（外１名） 第１頁の続き ０発　明　者　ウルリッヒ・クンツエルドイッ連邦共和
国７４０８クスター デインゲン・アウグスト・レー ムルシュトラーセ８番地 ＠ｌ！　　間者　　レインホルト・ミュールドイツ連邦
共和国７０３１アルトド ルフ・ビューエルムシュトラー セ４３番地

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２つの平板状電極を互いに平行且つ上下に配置して、上
   部電極には高周波ＡＣ電圧を印加し、下部電極には反応
   ガスを通す中央開口を設けて下部電極上に被処理基板を
   配置するプラス１反応装置において、 前記上部電極のうち、少なくとも前記基板の上の電界が
   選択的に弱くなるように、前記基板の配置に応じて位置
   及び形状を定めた領域に、電極物質が存在しないように
   し次ことを特徴とするプラズマ反応装置。